onur.su
Часы и календари - история и устройство.
Дополнение к статье "Загадка времени". Рассказ об эволюции календарей и часов.
Это дополнение к статье "Загадка времени", посвященной тому, что из себя представляет время на фундаментальном уровне.
Эта статья, посвящена узкой теме способов измерения времени, изобретенных людьми.
Если вы читали основную статью, то знаете, что единственный способ измерения времени, придуманный людьми, это измерение его через повторяющиеся одинаковые циклические события.
Эта статья, посвящена узкой теме способов измерения времени, изобретенных людьми.
Если вы читали основную статью, то знаете, что единственный способ измерения времени, придуманный людьми, это измерение его через повторяющиеся одинаковые циклические события.
Самые наглядные циклические события люди наблюдали на небе. Это движения Солнца и Луны. Именно на их основе возникли первые календари.
Траектория движения Солнца по небосводу , когда оно возвращается в исходную точку, описав подобие восьмерки позволило людям отмерять смену сезонов (зима-весна-лето-осень) и год в целом.
Траектория движения Солнца по небосводу , когда оно возвращается в исходную точку, описав подобие восьмерки позволило людям отмерять смену сезонов (зима-весна-лето-осень) и год в целом.
Лунные циклы от новолуния до новолуния позволили людям составлять лунные календари, отмечая периоды "лунных месяцев"(29,53 суток).
Смена дня и ночи позволила измерять время сутками. Это самое часто применяемое ориентирование во времени в повседневном быту. Что-то произошло 2 дня назад. Что-то мы планируем сделать через три дня.
Главная проблема в этих природных явлениях, что они не очень совместимы друг с другом, т.е. ни одно из них не соотносится с другим целыми числами.
Например, 12 лунных месяцев не соответствуют солнечному году. Разница составляет 11 дней. А это значит , что будет постепенно идти смещенние лунных месяцев по сезонам и лунный месяц, который когда-то был летним месяцем, через некоторое количество лет превратится в зимний.
Да и сам солнечный год не совместим с ровным количеством дней и составляет примерно 365,2422 суток.
Главная проблема в этих природных явлениях, что они не очень совместимы друг с другом, т.е. ни одно из них не соотносится с другим целыми числами.
Например, 12 лунных месяцев не соответствуют солнечному году. Разница составляет 11 дней. А это значит , что будет постепенно идти смещенние лунных месяцев по сезонам и лунный месяц, который когда-то был летним месяцем, через некоторое количество лет превратится в зимний.
Да и сам солнечный год не совместим с ровным количеством дней и составляет примерно 365,2422 суток.
Исторически разные цивилизации пошли разными путями.
Древний Египет.
В Древнем Египте сформировали солнечный годовой календарь. Их год состоял из 365 дней. Но не совсем как современный год. Было 12 месяцев по 30 дней. Это в сумме 360 дней. А чтобы эта система больше соответствовала движению Солнца древние Египтяне добавляли еще 5 отдельных праздничных дней.
Но год не ровно 365 дней, а 365,2422. Так что египетский календарь "съезжал" (примерно на месяц за 120 лет)
Древний Египет.
В Древнем Египте сформировали солнечный годовой календарь. Их год состоял из 365 дней. Но не совсем как современный год. Было 12 месяцев по 30 дней. Это в сумме 360 дней. А чтобы эта система больше соответствовала движению Солнца древние Египтяне добавляли еще 5 отдельных праздничных дней.
Но год не ровно 365 дней, а 365,2422. Так что египетский календарь "съезжал" (примерно на месяц за 120 лет)
Шумерская цивилизация.
Шумеры пошли другим путем. Они ориентировались прежде всего на фазы Луны и построили лунный календарь. У них получалось 12 месяцев по 29 или по 30 дней. В год получалось 354 дня, что приводило к еще более быстрому смещению календаря от реального солнечного года.
Шумеры решили эту проблему путем периодической вставки 13го месяца.
Шумеры пошли другим путем. Они ориентировались прежде всего на фазы Луны и построили лунный календарь. У них получалось 12 месяцев по 29 или по 30 дней. В год получалось 354 дня, что приводило к еще более быстрому смещению календаря от реального солнечного года.
Шумеры решили эту проблему путем периодической вставки 13го месяца.
Китай.
Китайский календарь, существующий более 3000 лет и до сих пор применяемый в различных традиционных областях (отсчет праздников, астрология), представляет из себя сложную систему учета лунных и солнечных циклов совместно.
Китайский год складывается из 12 лунных месяцев (соответствующих 12 животным) и 5 стихий, которые "окрашивают" лунный месяц в свой цвет. В итоге полный набор всех возможных комбинаций (12×5) фомирует полный 60ти летний цикл китайского календаря.
Состоят эти лунные месяцы как и в других культурах в соответствии с фазами Луны из 29 , либо 30 дней, что дает 353-355 дней в году.
Чтобы соотнести лунные циклы с годовыми солнечными периодически добавляется високосный 13й месяц.
Для сельскохозяйственных целей китайцы ввели еще сезонное деление года на 24 сезона, не имеющее отношение к лунным месяцам.
Китайский календарь, существующий более 3000 лет и до сих пор применяемый в различных традиционных областях (отсчет праздников, астрология), представляет из себя сложную систему учета лунных и солнечных циклов совместно.
Китайский год складывается из 12 лунных месяцев (соответствующих 12 животным) и 5 стихий, которые "окрашивают" лунный месяц в свой цвет. В итоге полный набор всех возможных комбинаций (12×5) фомирует полный 60ти летний цикл китайского календаря.
Состоят эти лунные месяцы как и в других культурах в соответствии с фазами Луны из 29 , либо 30 дней, что дает 353-355 дней в году.
Чтобы соотнести лунные циклы с годовыми солнечными периодически добавляется високосный 13й месяц.
Для сельскохозяйственных целей китайцы ввели еще сезонное деление года на 24 сезона, не имеющее отношение к лунным месяцам.
Индия.
В Индии пошли своим путем. У них вообще сформировались и до сих пор используются несколько традиционных календарей в зависимости от региона, объединенных общим названием "Панчанга". Главная специфика в том, что их календарь максимально астрономичный и построен не только с учетом солнечных и лунных циклов , но и с учетом положения созвездий на небосводе. В нем присутствуют параллельно солнечные месяцы и лунные месяцы, которые коррелируются через периодическое введение дополнительного месяца в лунные циклы.
В Индии пошли своим путем. У них вообще сформировались и до сих пор используются несколько традиционных календарей в зависимости от региона, объединенных общим названием "Панчанга". Главная специфика в том, что их календарь максимально астрономичный и построен не только с учетом солнечных и лунных циклов , но и с учетом положения созвездий на небосводе. В нем присутствуют параллельно солнечные месяцы и лунные месяцы, которые коррелируются через периодическое введение дополнительного месяца в лунные циклы.
Майя.
Свой специфический календарь изобрели Майя. Он состоял из двух частей: религиозной, состоящей из циклов по 260 дней и обычной, состоящей из годовых циклов по 365 дней, разбитых на 18 месяцев по 20 дней плюс 5 свободных дней.
Свой специфический календарь изобрели Майя. Он состоял из двух частей: религиозной, состоящей из циклов по 260 дней и обычной, состоящей из годовых циклов по 365 дней, разбитых на 18 месяцев по 20 дней плюс 5 свободных дней.
Современный календарь.
Основу современного календаря заложили в Древнем Риме.
По началу там творилась календарная анархия. Сначала было 10 месяцев и зима, которая на месяцы не делилась.
Потом все же пришли к 12 месяцам, но они "плавали" в угоду политическим интересам.
На рубеже тысячелетей под давлением астрономов Юлий Цезарь провел реформу календаря приняв строгий солнечный календарь 12 месяцев , 365 дней, каждый 4й год високосный для компенсации неточности совпадения суточных циклов с годовым солнечным (год получался 365,25 суток).
В итоге погрешность календаря составляла 11 минут 14 секунд в год. Немного , но за столетия погрешность накопилась , что привело к новой реформе и принятию Грегорианского календаря , где год с учетом високосных правок составлял 365,2425 суток, что очень близко к реальности.
Этот вид календаря и принят в качестве глобального мирового календаря в современном мире.
Основу современного календаря заложили в Древнем Риме.
По началу там творилась календарная анархия. Сначала было 10 месяцев и зима, которая на месяцы не делилась.
Потом все же пришли к 12 месяцам, но они "плавали" в угоду политическим интересам.
На рубеже тысячелетей под давлением астрономов Юлий Цезарь провел реформу календаря приняв строгий солнечный календарь 12 месяцев , 365 дней, каждый 4й год високосный для компенсации неточности совпадения суточных циклов с годовым солнечным (год получался 365,25 суток).
В итоге погрешность календаря составляла 11 минут 14 секунд в год. Немного , но за столетия погрешность накопилась , что привело к новой реформе и принятию Грегорианского календаря , где год с учетом високосных правок составлял 365,2425 суток, что очень близко к реальности.
Этот вид календаря и принят в качестве глобального мирового календаря в современном мире.
Часы.
Календари давали людям ответ на вопрос какой сегодня день. Но человек ненасытен в своем любопытстве и ему требовалось делить время в течение одного дня.
Для этой цели люди изобрели часы.
Календари давали людям ответ на вопрос какой сегодня день. Но человек ненасытен в своем любопытстве и ему требовалось делить время в течение одного дня.
Для этой цели люди изобрели часы.
Солнечные часы.
Самые первые часы были созданы с использованием того же Солнца. Время дня определяли по длине и направлению тени. Солнечные часы были не особо точные, но все же позволяли кое-как делить дневное время на периоды. Тем не менее недостатков было много: не работают ночью, в пасмурную погоду, внутри большинства помещений.
Самые первые часы были созданы с использованием того же Солнца. Время дня определяли по длине и направлению тени. Солнечные часы были не особо точные, но все же позволяли кое-как делить дневное время на периоды. Тем не менее недостатков было много: не работают ночью, в пасмурную погоду, внутри большинства помещений.
Водяные часы.
Поэтому почти одновременно с солнечными были изобретены водяные часы. Их изобрели независимо в разных частях планеты: в Египте, Месопотамии, Китае, Индии, Греции. Аналог водяных часов - песочные.
Поэтому почти одновременно с солнечными были изобретены водяные часы. Их изобрели независимо в разных частях планеты: в Египте, Месопотамии, Китае, Индии, Греции. Аналог водяных часов - песочные.
Механические часы.
Первые механические часы появились в 13 веке. Механизм был максимально простой: на подвесе размещались гири, которые под действием гравитации опускались , тянули зубчатые колесики, которые начинали вращаться. Непрерывность вращения прерывалась колеблющейся томозной планкой с минигирьками , которая с периодичностью соответствующей её покачиваниям, блокировала движение колесиков, через вержевый стопор - поперечную пластинку , упирающуюся в зубья колес и тормозящая их. В конце цепочки зубчатых колесиков крепились стрелки.
Погрешность такого примитивного механизма была немаленькая (2-4 часа в сутки), но для неприхотливой эпохи Средневековья это было вполне приемлимо.
Первые механические часы появились в 13 веке. Механизм был максимально простой: на подвесе размещались гири, которые под действием гравитации опускались , тянули зубчатые колесики, которые начинали вращаться. Непрерывность вращения прерывалась колеблющейся томозной планкой с минигирьками , которая с периодичностью соответствующей её покачиваниям, блокировала движение колесиков, через вержевый стопор - поперечную пластинку , упирающуюся в зубья колес и тормозящая их. В конце цепочки зубчатых колесиков крепились стрелки.
Погрешность такого примитивного механизма была немаленькая (2-4 часа в сутки), но для неприхотливой эпохи Средневековья это было вполне приемлимо.
Постепенно механизм совершенствовался.
Сначала гиревую планку заменили на маятник, который качался в силу законов физики гораздо стабильней, чем планка с минигирьками. Это уже повысило точность хода и погрешность стала составлять 10-30 минут в сутки
Потом заменили вержевой стопор на анкерный механизм, что снизило погрешность до 1-2 минут в сутки. А в современных часах, где гири заменены пружинами, а анкерный механизм усовершенствован погрешность уже не превышает нескольких секунд в сутки.
Сначала гиревую планку заменили на маятник, который качался в силу законов физики гораздо стабильней, чем планка с минигирьками. Это уже повысило точность хода и погрешность стала составлять 10-30 минут в сутки
Потом заменили вержевой стопор на анкерный механизм, что снизило погрешность до 1-2 минут в сутки. А в современных часах, где гири заменены пружинами, а анкерный механизм усовершенствован погрешность уже не превышает нескольких секунд в сутки.
Турбийон.
Легедарное устройство, повышающее стоимость механических часов в сотни раз.
В чем его суть?
В 19 веке использовались в основном карманные часы, которые постоянно находились в неподвижном вертикальном положении в кармане. В итоге весь механизм испытывал постоянное однонаправленное воздействие гравитации, что снижало точность хода.
Турбийон - это вращающаяся каретка, в которую помещается работающий механизм.
В итоге, хотя часы и расположены неподвижно, но сам механизм постоянно меняет свое положение по отношению к Земле в часах, что усредняет и невилирует гравитационное влияние Земли и повышает точность хода.
Легедарное устройство, повышающее стоимость механических часов в сотни раз.
В чем его суть?
В 19 веке использовались в основном карманные часы, которые постоянно находились в неподвижном вертикальном положении в кармане. В итоге весь механизм испытывал постоянное однонаправленное воздействие гравитации, что снижало точность хода.
Турбийон - это вращающаяся каретка, в которую помещается работающий механизм.
В итоге, хотя часы и расположены неподвижно, но сам механизм постоянно меняет свое положение по отношению к Земле в часах, что усредняет и невилирует гравитационное влияние Земли и повышает точность хода.
С распространением наручных часов, где механизм регулярно меняет свое положение по отношению к Земле за счет движения самой руки функциональное значения турбийона потеряло былую актуальность и он сохранился в большей степени как статусный элемент механизма, повышающий стоимость часов.
Впрочем и сами механические часы утратили свою функциональную значимость с появлением электронных часов, превратившись в простой аксессуар.
Впрочем и сами механические часы утратили свою функциональную значимость с появлением электронных часов, превратившись в простой аксессуар.
С развитием электродинамики, физики частиц и квантовой механики стало понятно, что атомы содержат в себе гораздо более точные и частые периодические события. Так возникли электронные часы.
Кварцевые часы.
Всем привычные электронные часы основаны на колебаниях кристалла кварца. Из монокристалла кварца вытачивается маленький резонатор в форме камертона.
Кварцевые часы.
Всем привычные электронные часы основаны на колебаниях кристалла кварца. Из монокристалла кварца вытачивается маленький резонатор в форме камертона.
К кварцу подсоединяют металлические электроды, а всю конструкцию заключают в металлический цилиндр диаметром прим. 2мм и длиной прим. 6мм.
На кристалл кварца подаются импульсы электричества, которые заставляют его колебаться с определенной частотой 32 768 колебаний в секунду. Кварцевый камертон может колебаться с разными частотами в зависимости от размера и формы. Частота 32 768 выбрана, потому что это 215, что очень удобно для применения в электронике.
На кристалл кварца подаются импульсы электричества, которые заставляют его колебаться с определенной частотой 32 768 колебаний в секунду. Кварцевый камертон может колебаться с разными частотами в зависимости от размера и формы. Частота 32 768 выбрана, потому что это 215, что очень удобно для применения в электронике.
Небольшая вставка для тех, кому интересно подробней разобраться в физических принципах кварцевых часов.
Кварц представляет собой ассиметричную решетку SiO2 соединение атома кремния с двумя атомами кислорода. Кислород более электроотрицателен, чем кремний. У кислорода две электронных S-оболочки (сферических), в то время как у кремния две S-оболочки и третья P-оболочка (гантелеобразная). У кислорода внешние общие с кремнием валентные электроны находятся ближе к ядру и более крепко связаны с ним нежели с ядром кремния и общее облако электронов смещается в сторону кислорода, что и делает его более электроотрицательным , чем кремний.
**подробнее об электронных оболочках и устройстве атома можно прочитать в статье на этом сайте "Природа материи".
Далее, при подаче электричества кремниево-кислородная решетка кварца слегка деформируется. Механическая волна деформации на квантовом языке описывается через квазичастицы - фононы. А кристалик кварца вытачивается таким образом, чтобы образующиеся деформацией стоячие волны фононов имели частоту 32 768 Гц.
В свою очередь стоячая волна фононов (являющаяся смещением положительно заряженных ядер и электронных облаков и изменением угла химических связей) приводит к изменению распределения электрических зарядов в материале, что формирует ответное электрическое поле в кварце и создает устойчивую колебательную систему. Электрические импульсы этой системы , подаются на микросхему , в которой тригеры "замедляют" импульсы. Объяснения через нули и единицы плохо заходят, поэтому я приведу образный пример с дверьми. Представьте себе закрытую дверь. Первый импульс открывает дверь. Второй импульс пролетает в открытую дверь к следующей двери, закрывая за собой первую дверь. Таким образом прохождение через каждый тригер вдвое сокращает количество проходящих импульсов. Напоминаю, что 32 678=215 , так что достаточно 15ти тригеров, чтобы сократить частоту с 32678 до 1Гц в секунду. Так секунды и отсчитываются.
Кварц представляет собой ассиметричную решетку SiO2 соединение атома кремния с двумя атомами кислорода. Кислород более электроотрицателен, чем кремний. У кислорода две электронных S-оболочки (сферических), в то время как у кремния две S-оболочки и третья P-оболочка (гантелеобразная). У кислорода внешние общие с кремнием валентные электроны находятся ближе к ядру и более крепко связаны с ним нежели с ядром кремния и общее облако электронов смещается в сторону кислорода, что и делает его более электроотрицательным , чем кремний.
**подробнее об электронных оболочках и устройстве атома можно прочитать в статье на этом сайте "Природа материи".
Далее, при подаче электричества кремниево-кислородная решетка кварца слегка деформируется. Механическая волна деформации на квантовом языке описывается через квазичастицы - фононы. А кристалик кварца вытачивается таким образом, чтобы образующиеся деформацией стоячие волны фононов имели частоту 32 768 Гц.
В свою очередь стоячая волна фононов (являющаяся смещением положительно заряженных ядер и электронных облаков и изменением угла химических связей) приводит к изменению распределения электрических зарядов в материале, что формирует ответное электрическое поле в кварце и создает устойчивую колебательную систему. Электрические импульсы этой системы , подаются на микросхему , в которой тригеры "замедляют" импульсы. Объяснения через нули и единицы плохо заходят, поэтому я приведу образный пример с дверьми. Представьте себе закрытую дверь. Первый импульс открывает дверь. Второй импульс пролетает в открытую дверь к следующей двери, закрывая за собой первую дверь. Таким образом прохождение через каждый тригер вдвое сокращает количество проходящих импульсов. Напоминаю, что 32 678=215 , так что достаточно 15ти тригеров, чтобы сократить частоту с 32678 до 1Гц в секунду. Так секунды и отсчитываются.
Кварцевые часы позволили при дешевизне технологий добиться колосальной в сравнении с механическими технологиями точности - погрешность 10-15 сек. в месяц.
Но и кварцовые часы не предел.
Хоть квацевые часы и используют свойства атомов, но в кристалах кварца миллирады атомов совокупный эффект взаимодействия, которых приводит к механическому колебанию макрообъекта - кварцевого камертона.
Так почему бы не отказаться от механических макросистем со всеми их погрешностями и не обратиться к самому стабильному материальному резонатору - самому атому?
Атомные часы.
На сегодняшний день международный стандарт времени (а также и мельчайшие временные промежутки) отмеряются по атомным часам.
Как они устроены?
Но и кварцовые часы не предел.
Хоть квацевые часы и используют свойства атомов, но в кристалах кварца миллирады атомов совокупный эффект взаимодействия, которых приводит к механическому колебанию макрообъекта - кварцевого камертона.
Так почему бы не отказаться от механических макросистем со всеми их погрешностями и не обратиться к самому стабильному материальному резонатору - самому атому?
Атомные часы.
На сегодняшний день международный стандарт времени (а также и мельчайшие временные промежутки) отмеряются по атомным часам.
Как они устроены?
Чтобы хорошо разобраться в вопросе я бы настоятельно советовал ознакомитья с устройством атома и принципами взаимодействия в нем, описанными в статье "Природа материи" на этом сайте. Здесь же обозначу суть двумя словами, чтобы не отвлекаться от основной темы.
В часах атомы цезия охлаждаются почти до абсолютного нуля лазерами, после чего подвергаются микроволновому облучению, которое вызывает фазовые переходы электронов в атомах. Эти переходы строго квантованы и соответствуют частоте 9 192 631 770 Гц.
Соответственно современное определение секунды звучит так:
одна секунда — это интервал времени, равный ровно 9 192 631 770 периодам излучения, которое соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 в покое при температуре абсолютного нуля (0 К).
В часах атомы цезия охлаждаются почти до абсолютного нуля лазерами, после чего подвергаются микроволновому облучению, которое вызывает фазовые переходы электронов в атомах. Эти переходы строго квантованы и соответствуют частоте 9 192 631 770 Гц.
Соответственно современное определение секунды звучит так:
одна секунда — это интервал времени, равный ровно 9 192 631 770 периодам излучения, которое соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 в покое при температуре абсолютного нуля (0 К).
Что интересно, так это то, как люди определили, что частота колебаний микроволнового поля для перехода цезия равна одной секунде.
Ответ многих удивит: на глазок.
Сначала люди определяли эталон секунды по вращению Земли. Полный период вращения Земли вокруг оси называется сутками. А секунду определили как 1/86400 часть этого периода.
Проблема оказалась в том, что скорость вращения Земли постоянно меняется. Она замедляется из-за ослабления гравитационного влияния удаляющейся от нас Луны. Каждый год орбита вращения Луны увеличивается на 3,8см.
Кроме этого скорость вращения Земли меняется из-за природных событий: снегопады, ветровые потоки, цунами, землятресения, смещения масс внутри текучего ядра планеты. Даже деятельность человека способна изменить скорость вращения Земли.
Так из-за построенной китайцами самой большой плотины в мире "Три ущелья" ось Земли сместилась на пару сантиметров, а сутки стали длиннее на 0,06 микросекунд.
Из-за такой нестабильности в 1960 году решили определить секунду через более глобальное и стабильное явление - вращение Земли вокруг Солнца.
Секунду определили как 1/31 556 925,9747 долю тропического года. Но наученные опытом прошлого эталона и зная, что период обращения Земли вокруг Солнца тоже меняется (из-за постоянного уменьшения Солнечной массы Земля отдаляется от Солнца примерно на 1,5см в год) взяли не любой абстрактный год, а конкретный 1900 год.
Не очень удобный эталон в виде не целой доли 1900 года.
Поэтому в 1967 году было решено отказаться от нестабильных макрообъектов и обратиться к квантовому миру, где многие события жестко квантованы и не меняются под действием внешних сил и обстоятельств.
Было несколько кандидатов (и водород и талий) , но остановились на цезии по причинам удобства.
Но главный вопрос вот в чем.
В самих квантовых событиях времени как такового нет. Есть постоянные количества энергии, необходимые для эволюции квантовых систем. Количество энергии определяется интенсивностью колебаний электромагнитного поля (это синоним частоты фотонной волны).
А дальше ученые пошли методом тупо сравнения.
Взяли астрономическую секунду и взяли колеблющееся поле, которое резонирует тонкому переходу электрона в атоме цезия-133.
И посмотрели сколько колебаний происходит в старую астрономическую секунду.
Получилось 9 192 631 770 колебаний.
Так и постановили.
Про астраномическую секунду забываем, и с этого момента секундой считаем период равный 9 192 631 770 колебаниям микроволнового поля резонирующего со сверхтонким переходом электрона в атоме цезия-133.
Атомные цезиевые часы позволяют регистрировать по времени события составляющие миллиардные доли секунды. А погрешность составляет 1 сек. за десятки миллионов лет. Если быть точным, то степень погрешности зависит от конструкционных особенностей. Портативные цезиевые чип-часы дают погрешность в секунду на 100 лет. Промышленные стационарные дают погрешность в секунду на 30 миллионов лет. Эталонные фонтанные - секунду на 300 миллионов лет.
Но современные технологии шагнули гораздо дальше.
Одной из причин выбора цезия была ограниченность технологий. В квантовом мире множество гораздо более высокочастотных событий. Но в 1967 году их просто еще не умели регистрировать.
С тех пор технологии продвинулись далеко вперед и созданы оптические часы. Там лазер генерирует коротковолновые высокочастотные сингалы, которые совершают в 50 000 раз больше колебаний в секунду чем атомные цезиевые часы.
Точное количество зависит от калибровочного материала (самые мощные построены на алюминии 1121 ТГц против 9 ГГц цезиевых). А погрешность составляет 1 сек в несколько миллиардов лет.
Так что на 2030-2035г запланирована смена стандарта секунды на показатель оптических часов.
А ученые тем временем работают над созданием ядерных часов на базе Тория-229. Они потенциально будут еще более стабильны , поскольку ориентируются на процессы внутри ядра атома, которое гораздо меньше подвержено влиянию внешних факторов, чем электронная оболочка, служащая эталоном в атомных и оптических часах. Соответственно это потенциально еще более надежные часы, теоретическое накопление погрешности которых превышает текущий возраст Вселенной, а точность измерений позволит опуститься до аттосекунд (квинтилионных долей секунды).
В общем-то, в быту и современных эксплуатационных технологиях пока такая точность и непогрешимость часов не требуется. Но она востребована в экспериментах в области фундаментальной физики. Если фемтосекундные фиксации позволяют работать с тяжелыми атомными ядрами, то аттосекундные открывают дорогу к управлению электронами в реальном времени. А это дорога к сверхбыстрому переключению тока и замене кремниевых систем лазерными, что повысит производительность процессоров в миллионы раз. Это путь к управлению в реальном времени декогеренцией волновой функции, востребованной в квантовых компьютерах. Это путь к новому уровню управления химическими реакциями на уровне изменения положения электронов и формирования управляемых химических связей и многое другое.
Достижения фундаментальной физики всегда приводят к невероятному последующему скачку в эволюции технологий.
Ответ многих удивит: на глазок.
Сначала люди определяли эталон секунды по вращению Земли. Полный период вращения Земли вокруг оси называется сутками. А секунду определили как 1/86400 часть этого периода.
Проблема оказалась в том, что скорость вращения Земли постоянно меняется. Она замедляется из-за ослабления гравитационного влияния удаляющейся от нас Луны. Каждый год орбита вращения Луны увеличивается на 3,8см.
Кроме этого скорость вращения Земли меняется из-за природных событий: снегопады, ветровые потоки, цунами, землятресения, смещения масс внутри текучего ядра планеты. Даже деятельность человека способна изменить скорость вращения Земли.
Так из-за построенной китайцами самой большой плотины в мире "Три ущелья" ось Земли сместилась на пару сантиметров, а сутки стали длиннее на 0,06 микросекунд.
Из-за такой нестабильности в 1960 году решили определить секунду через более глобальное и стабильное явление - вращение Земли вокруг Солнца.
Секунду определили как 1/31 556 925,9747 долю тропического года. Но наученные опытом прошлого эталона и зная, что период обращения Земли вокруг Солнца тоже меняется (из-за постоянного уменьшения Солнечной массы Земля отдаляется от Солнца примерно на 1,5см в год) взяли не любой абстрактный год, а конкретный 1900 год.
Не очень удобный эталон в виде не целой доли 1900 года.
Поэтому в 1967 году было решено отказаться от нестабильных макрообъектов и обратиться к квантовому миру, где многие события жестко квантованы и не меняются под действием внешних сил и обстоятельств.
Было несколько кандидатов (и водород и талий) , но остановились на цезии по причинам удобства.
Но главный вопрос вот в чем.
В самих квантовых событиях времени как такового нет. Есть постоянные количества энергии, необходимые для эволюции квантовых систем. Количество энергии определяется интенсивностью колебаний электромагнитного поля (это синоним частоты фотонной волны).
А дальше ученые пошли методом тупо сравнения.
Взяли астрономическую секунду и взяли колеблющееся поле, которое резонирует тонкому переходу электрона в атоме цезия-133.
И посмотрели сколько колебаний происходит в старую астрономическую секунду.
Получилось 9 192 631 770 колебаний.
Так и постановили.
Про астраномическую секунду забываем, и с этого момента секундой считаем период равный 9 192 631 770 колебаниям микроволнового поля резонирующего со сверхтонким переходом электрона в атоме цезия-133.
Атомные цезиевые часы позволяют регистрировать по времени события составляющие миллиардные доли секунды. А погрешность составляет 1 сек. за десятки миллионов лет. Если быть точным, то степень погрешности зависит от конструкционных особенностей. Портативные цезиевые чип-часы дают погрешность в секунду на 100 лет. Промышленные стационарные дают погрешность в секунду на 30 миллионов лет. Эталонные фонтанные - секунду на 300 миллионов лет.
Но современные технологии шагнули гораздо дальше.
Одной из причин выбора цезия была ограниченность технологий. В квантовом мире множество гораздо более высокочастотных событий. Но в 1967 году их просто еще не умели регистрировать.
С тех пор технологии продвинулись далеко вперед и созданы оптические часы. Там лазер генерирует коротковолновые высокочастотные сингалы, которые совершают в 50 000 раз больше колебаний в секунду чем атомные цезиевые часы.
Точное количество зависит от калибровочного материала (самые мощные построены на алюминии 1121 ТГц против 9 ГГц цезиевых). А погрешность составляет 1 сек в несколько миллиардов лет.
Так что на 2030-2035г запланирована смена стандарта секунды на показатель оптических часов.
А ученые тем временем работают над созданием ядерных часов на базе Тория-229. Они потенциально будут еще более стабильны , поскольку ориентируются на процессы внутри ядра атома, которое гораздо меньше подвержено влиянию внешних факторов, чем электронная оболочка, служащая эталоном в атомных и оптических часах. Соответственно это потенциально еще более надежные часы, теоретическое накопление погрешности которых превышает текущий возраст Вселенной, а точность измерений позволит опуститься до аттосекунд (квинтилионных долей секунды).
В общем-то, в быту и современных эксплуатационных технологиях пока такая точность и непогрешимость часов не требуется. Но она востребована в экспериментах в области фундаментальной физики. Если фемтосекундные фиксации позволяют работать с тяжелыми атомными ядрами, то аттосекундные открывают дорогу к управлению электронами в реальном времени. А это дорога к сверхбыстрому переключению тока и замене кремниевых систем лазерными, что повысит производительность процессоров в миллионы раз. Это путь к управлению в реальном времени декогеренцией волновой функции, востребованной в квантовых компьютерах. Это путь к новому уровню управления химическими реакциями на уровне изменения положения электронов и формирования управляемых химических связей и многое другое.
Достижения фундаментальной физики всегда приводят к невероятному последующему скачку в эволюции технологий.
Это более детальная вставка о принципах работы атомных цезиевых фонтанных часов для тех, кому интересно погрузиться в тему подробнее.
Будем исходить из того, что вы имеете общее представление об устройстве атома и понимаете, что атом совсем не похож на школьные рисунки, где электроны как планеты вращаются вокруг ядра.
Если я ошибся , то рекомендую сначала ознакомиться со статьей "Природа материи" на этом сайте, прежде чем продолжить знакомство с устройством и принципами работы атомных часов.
Электрон это не шарик и вообще не предмет, это устойчивое возбуждение электронного поля. Это возбуждение строго квантовано, т.е. может принимать конкретные значения энергий между которыми нет промежуточных состояний. На дискретности энергий и построены атомные часы.
Основой атомных часов является так называемое "тонкое расщепление". Сейчас объясню что это значит.
Как вы должны знать из школьной ппограммы физики электричество и магнетизм - это проявления одного явления электромагнетизма. Электрический заряд при движении (поступательном или вращательном) формирует вокруг себя магнитное поле (подробнее об этом можно прочитать в статье "Электромагнитная волна" на этом сайте.)
Частицы не имеют вращательного движения в привычном нам понимании, но имеют квантовое свойство, именуемое спином, аналогичное вращательному движению в макромире (подробнее о том, что такое спин частицы и каковы его свойства можно прочитать в статье "Природа материи" на этом сайте)
Ядро цезия-133 имеет значение спина 7/2, складывающееся из совокупности спинов протонов и нейтронов, составляющих ядро.
Внешний электрон атома цезия-133 имеет значение спина 1/2.
Всего у цезия 55 электронов, но 54 электрона на внутренних оболочках взаимно компенсируют спины друг друга (+1/2-1/2). Таким образом итоговой суммарный спин всей электронной оболочки определяется спином внешнего электрона на орбитали 6s атома и может принимать одно из двух возможных значений: +1/2 и -1/2. (грубо говоря сонаправлен с вектором спина ядра или противоположно направлен)
Соответственно полный угловой момент (обозначается как F) самого атома цезия-133 может принимать два значения:
7/2+1/2=8/2=4 (назовем это высоким состоянием)
либо
7/2-1/2=6/2=3 (назовем это низким состоянием)
Вот два возможных квантовых состояния, которые различаются по количеству энергии, очень незначительно но различаются.
Совокупность этих возможных состояний и называется "тонким расщеплением", а фазовый переход между ними строго квантован и составляет 9 192 631 770 Гц. Т.е. атому для перехода из одного состояния в другое требуется поглотить (для перехода в высокое состояние) или излучить (для перехода в низкое состояние) фотон с частотой 9 192 631 770 Гц.
Как я писал выше, угловой момент, формирует наличие магнитного момента, который в свою очередь может быть детектирован через особенности поведения частицы во внешнем магнитном поле.
Разные состояния полного углового момента атома (F) приводят к разным реакциям атома на внешнее магнитное поле. Но в атомных часах используют не разное поведение атомов в магнитном поле, они работают несколько иначе.
Что делают со всем этим атомные часы?
Сначала пластина металлизированного цезия-133 нагревается, что приводит к испарению отдельных атомов и образованию атомного облака.
Далее атомное облако обстреливается шестью лазерами, настроенными на определенную частоту и геометрически расположенными так, чтобы замедлить атомы цезия-133 до почти абсолютного нуля (0 Кельвинов) и перевести их в "низкое состояние" F=3.
Дело в том, что атомы в разных "тонких состояниях" (F=3 или F=4) поглощают высокочастотные фотоны разной частоты для перехода электрона на более высокоэнергетическую орбиталь (6s->6р)
Это имеет некоторые следствия. Чтобы обьяснить придется немножко погрузиться в квантовую физику.
Как вы должны помнить из статьи "Природа материи" квантовое число s-орбитали L=0, а для р-орбитали L=1. При этом для электрического дипольного перехода выполняется правило
дельта F=0,+/-1.
Полный момент электрона (J) считается по формуле J=L+S
Получается для основного состояния электрона в Цезии на орбитали 6s
J=0+1/2=1/2
При переходе на орбиталь 6p после накачки энергией.
J=1+1/2=3/2
Тогда полный момент всего атома в таком возбужденном состоянии может принимать диапазон значений:
от F'=7/2-3/2=2
до F'=7/2+3/2=5
То есть возможные значения для F' (черточка после F означает , что речь идет о нестабильном возбужденном состоянии атома)
F'=2 F'=3 F'=4 F'=5
Если подобрать частоту так, чтобы получалось F'=4, то
(помним, что допустимые шаги для перехода, как я писал выше 0,+/-1) то, когда электрон возвращается обратно в стабильное основное состояние на орбиталь 6s, он с некоторой долей вероятности может оказаться в состояние F=4 (переход 0) и с некоторой вероятностью в состоянии F=3 (переход -1). Переход +1 невозможен по причине отсутствия F=5 в основном состоянии атома.
Так вот, лазеры настраиваются так , чтобы бомбардировать только атомы F=4 к состоянию F'=4 до тех пор пока они все, вернувшись к исходному энергетическому состоянию F не окажутся в состоянии F=3.
Для этого нужно лазером выпускать фотоны очень точных энергий поскольку разницы в энергии между различными F' очень незначительны.
Например для перехода электрона
6s1/2(F=4) -> 6p3/2(F'=5)
нужна частота 351 725 718 МГц
А для перехода
6s1/2(F=4) -> 6p3/2(F'=4)
нужна частота 351 725 467 МГц.
Очень тонкая настройка лазеров, но современные технологии это уже позволяют.
После лазер подбрасывает атомы вверх сквозь микроволновое поле. Падая обратно, они повторно проходят через микроволновое поле.
Далее атомы попадают на детектор , определяющий количество атомов совершивших переход от F=3 к F=4. Если поле точно совпадает с резонирующей частотой перехода между состояниями, то количество атомов, совершивших переход, максимально.
Вот здесь очень важный момент , который многие понимают неправильно. Отчет времени ведут не атомы цезия. Отсчет времени ведется по количеству колебаний микроволнового поля через которое пролетают атомы, а сами атомы цезия служат в данном случае калибратором, показывающим , что поле настроено точно на определенную частоту, а именно 9 192 631 770 Гц.
Как именно детектируются перешедшие атомы?
Лазером. Если частота фотонов 9 192 631 770 Гц. лишь незначительно повышает энергию системы и приводит только к изменению ориентации внешнего электрона, но не заставляет его перескакивать на более высокий энергетический уровень 6s->6p, то высокоэнергетические фотоны (прим. в 50 тыс раз более высокочастотные) поставляют в атом достаточно энергии для перехода электрона между уровнями.
После этого атом возвращается в привычное более стабильное низкоэнергетическое состояние (электрон возвращается на старую орбиталь), испуская при этом излишек энергии в виде фотона, вспышку, которую уже и регистрирует фотодетектор. И главная фишка в том, что для перехода между орбиталями требуются чуть разные частоты фотонов для нижнего состояния и для верхнего. Таким образом лазер настраивается так, чтобы "подсвечивать" атомы только в верхнем состоянии, а атомы в нижнем на него просто не будут реагировать из-за несовпадения частот.
Потом лазер делает то же самое с атомами в нижнем состоянии и по соотношению количества"подсвеченных" атомов в первом и втором процессе высчитывается процент атомов совершивших переход.
Причем при детектировании используются частоты не такие же как при оптической накачке в начале процесса, чтобы избежать скатывания атома к состоянию F=3 и сохранить чистоту подсчета неперешедших в микроволновом поле атомов. Для этого используется частота лазера обеспечивающая циклический переход.
Если подобрать частоту так, чтобы получалось F'=5, то
(помним, что допустимые шаги для перехода, как я писал выше 0,+/-1)
ноль невозможен, потому что в основном состоянии отсутствует F=5 в принципе, переход на F=3 также не возможен потому что переход не может быть больше 1. И остается единственный переход, это обратно к состоянию F=4.
6s1/2(F=4) -> 6p3/2(F'=5) -> 6s1/2(F=4)
Такой циклический переход подсвечивания атомов позволяет сохранить чистоту атомов F=3 и корректно произвести подсчет вероятности перехода.
Может возникнуть вопрос, а зачем их подбрасывать лазером, а не сразу облучать микроволнами стационарное облако атомов?
Дело в том, что мы можем замедлить атомы почти до 0К, но не полностью остановить. Все равно сохраняется движение атомов (несколько см. в сек) и облако постепенно расползается. Поэтому, для сохранения длительной работы системы, атомы постоянно толкают в нужных направлениях, чтобы они сами не расползались куда им вздумается.
Другой вопрос, а зачем вообще цезий , если замеры времени делаются по частоте колебаний микроволнового поля? Можно же настроить поле на нужную частоту и все? Дело в том, что в принципе можно, но проблема в сохранении уверенности , что частота "не поплывет". Многие факторы влияют на небольшие смещения частоты излучаемых фотонов и на сегодняшний день нет технологий позволяющих генерировать фотоны строго заданной частоты неопределенно долгое время. Поэтому и используется калибратор в виде цезия-133. Его сверхтонкий переход строго квантован определенной частотой и если количество переходов цезия сместилось от максимума, значит частота поплыла и компьютер , соответствующим образом перенастраивает генератор, чтобы вернуться к эталонной частоте.
Будем исходить из того, что вы имеете общее представление об устройстве атома и понимаете, что атом совсем не похож на школьные рисунки, где электроны как планеты вращаются вокруг ядра.
Если я ошибся , то рекомендую сначала ознакомиться со статьей "Природа материи" на этом сайте, прежде чем продолжить знакомство с устройством и принципами работы атомных часов.
Электрон это не шарик и вообще не предмет, это устойчивое возбуждение электронного поля. Это возбуждение строго квантовано, т.е. может принимать конкретные значения энергий между которыми нет промежуточных состояний. На дискретности энергий и построены атомные часы.
Основой атомных часов является так называемое "тонкое расщепление". Сейчас объясню что это значит.
Как вы должны знать из школьной ппограммы физики электричество и магнетизм - это проявления одного явления электромагнетизма. Электрический заряд при движении (поступательном или вращательном) формирует вокруг себя магнитное поле (подробнее об этом можно прочитать в статье "Электромагнитная волна" на этом сайте.)
Частицы не имеют вращательного движения в привычном нам понимании, но имеют квантовое свойство, именуемое спином, аналогичное вращательному движению в макромире (подробнее о том, что такое спин частицы и каковы его свойства можно прочитать в статье "Природа материи" на этом сайте)
Ядро цезия-133 имеет значение спина 7/2, складывающееся из совокупности спинов протонов и нейтронов, составляющих ядро.
Внешний электрон атома цезия-133 имеет значение спина 1/2.
Всего у цезия 55 электронов, но 54 электрона на внутренних оболочках взаимно компенсируют спины друг друга (+1/2-1/2). Таким образом итоговой суммарный спин всей электронной оболочки определяется спином внешнего электрона на орбитали 6s атома и может принимать одно из двух возможных значений: +1/2 и -1/2. (грубо говоря сонаправлен с вектором спина ядра или противоположно направлен)
Соответственно полный угловой момент (обозначается как F) самого атома цезия-133 может принимать два значения:
7/2+1/2=8/2=4 (назовем это высоким состоянием)
либо
7/2-1/2=6/2=3 (назовем это низким состоянием)
Вот два возможных квантовых состояния, которые различаются по количеству энергии, очень незначительно но различаются.
Совокупность этих возможных состояний и называется "тонким расщеплением", а фазовый переход между ними строго квантован и составляет 9 192 631 770 Гц. Т.е. атому для перехода из одного состояния в другое требуется поглотить (для перехода в высокое состояние) или излучить (для перехода в низкое состояние) фотон с частотой 9 192 631 770 Гц.
Как я писал выше, угловой момент, формирует наличие магнитного момента, который в свою очередь может быть детектирован через особенности поведения частицы во внешнем магнитном поле.
Разные состояния полного углового момента атома (F) приводят к разным реакциям атома на внешнее магнитное поле. Но в атомных часах используют не разное поведение атомов в магнитном поле, они работают несколько иначе.
Что делают со всем этим атомные часы?
Сначала пластина металлизированного цезия-133 нагревается, что приводит к испарению отдельных атомов и образованию атомного облака.
Далее атомное облако обстреливается шестью лазерами, настроенными на определенную частоту и геометрически расположенными так, чтобы замедлить атомы цезия-133 до почти абсолютного нуля (0 Кельвинов) и перевести их в "низкое состояние" F=3.
Дело в том, что атомы в разных "тонких состояниях" (F=3 или F=4) поглощают высокочастотные фотоны разной частоты для перехода электрона на более высокоэнергетическую орбиталь (6s->6р)
Это имеет некоторые следствия. Чтобы обьяснить придется немножко погрузиться в квантовую физику.
Как вы должны помнить из статьи "Природа материи" квантовое число s-орбитали L=0, а для р-орбитали L=1. При этом для электрического дипольного перехода выполняется правило
дельта F=0,+/-1.
Полный момент электрона (J) считается по формуле J=L+S
Получается для основного состояния электрона в Цезии на орбитали 6s
J=0+1/2=1/2
При переходе на орбиталь 6p после накачки энергией.
J=1+1/2=3/2
Тогда полный момент всего атома в таком возбужденном состоянии может принимать диапазон значений:
от F'=7/2-3/2=2
до F'=7/2+3/2=5
То есть возможные значения для F' (черточка после F означает , что речь идет о нестабильном возбужденном состоянии атома)
F'=2 F'=3 F'=4 F'=5
Если подобрать частоту так, чтобы получалось F'=4, то
(помним, что допустимые шаги для перехода, как я писал выше 0,+/-1) то, когда электрон возвращается обратно в стабильное основное состояние на орбиталь 6s, он с некоторой долей вероятности может оказаться в состояние F=4 (переход 0) и с некоторой вероятностью в состоянии F=3 (переход -1). Переход +1 невозможен по причине отсутствия F=5 в основном состоянии атома.
Так вот, лазеры настраиваются так , чтобы бомбардировать только атомы F=4 к состоянию F'=4 до тех пор пока они все, вернувшись к исходному энергетическому состоянию F не окажутся в состоянии F=3.
Для этого нужно лазером выпускать фотоны очень точных энергий поскольку разницы в энергии между различными F' очень незначительны.
Например для перехода электрона
6s1/2(F=4) -> 6p3/2(F'=5)
нужна частота 351 725 718 МГц
А для перехода
6s1/2(F=4) -> 6p3/2(F'=4)
нужна частота 351 725 467 МГц.
Очень тонкая настройка лазеров, но современные технологии это уже позволяют.
После лазер подбрасывает атомы вверх сквозь микроволновое поле. Падая обратно, они повторно проходят через микроволновое поле.
Далее атомы попадают на детектор , определяющий количество атомов совершивших переход от F=3 к F=4. Если поле точно совпадает с резонирующей частотой перехода между состояниями, то количество атомов, совершивших переход, максимально.
Вот здесь очень важный момент , который многие понимают неправильно. Отчет времени ведут не атомы цезия. Отсчет времени ведется по количеству колебаний микроволнового поля через которое пролетают атомы, а сами атомы цезия служат в данном случае калибратором, показывающим , что поле настроено точно на определенную частоту, а именно 9 192 631 770 Гц.
Как именно детектируются перешедшие атомы?
Лазером. Если частота фотонов 9 192 631 770 Гц. лишь незначительно повышает энергию системы и приводит только к изменению ориентации внешнего электрона, но не заставляет его перескакивать на более высокий энергетический уровень 6s->6p, то высокоэнергетические фотоны (прим. в 50 тыс раз более высокочастотные) поставляют в атом достаточно энергии для перехода электрона между уровнями.
После этого атом возвращается в привычное более стабильное низкоэнергетическое состояние (электрон возвращается на старую орбиталь), испуская при этом излишек энергии в виде фотона, вспышку, которую уже и регистрирует фотодетектор. И главная фишка в том, что для перехода между орбиталями требуются чуть разные частоты фотонов для нижнего состояния и для верхнего. Таким образом лазер настраивается так, чтобы "подсвечивать" атомы только в верхнем состоянии, а атомы в нижнем на него просто не будут реагировать из-за несовпадения частот.
Потом лазер делает то же самое с атомами в нижнем состоянии и по соотношению количества"подсвеченных" атомов в первом и втором процессе высчитывается процент атомов совершивших переход.
Причем при детектировании используются частоты не такие же как при оптической накачке в начале процесса, чтобы избежать скатывания атома к состоянию F=3 и сохранить чистоту подсчета неперешедших в микроволновом поле атомов. Для этого используется частота лазера обеспечивающая циклический переход.
Если подобрать частоту так, чтобы получалось F'=5, то
(помним, что допустимые шаги для перехода, как я писал выше 0,+/-1)
ноль невозможен, потому что в основном состоянии отсутствует F=5 в принципе, переход на F=3 также не возможен потому что переход не может быть больше 1. И остается единственный переход, это обратно к состоянию F=4.
6s1/2(F=4) -> 6p3/2(F'=5) -> 6s1/2(F=4)
Такой циклический переход подсвечивания атомов позволяет сохранить чистоту атомов F=3 и корректно произвести подсчет вероятности перехода.
Может возникнуть вопрос, а зачем их подбрасывать лазером, а не сразу облучать микроволнами стационарное облако атомов?
Дело в том, что мы можем замедлить атомы почти до 0К, но не полностью остановить. Все равно сохраняется движение атомов (несколько см. в сек) и облако постепенно расползается. Поэтому, для сохранения длительной работы системы, атомы постоянно толкают в нужных направлениях, чтобы они сами не расползались куда им вздумается.
Другой вопрос, а зачем вообще цезий , если замеры времени делаются по частоте колебаний микроволнового поля? Можно же настроить поле на нужную частоту и все? Дело в том, что в принципе можно, но проблема в сохранении уверенности , что частота "не поплывет". Многие факторы влияют на небольшие смещения частоты излучаемых фотонов и на сегодняшний день нет технологий позволяющих генерировать фотоны строго заданной частоты неопределенно долгое время. Поэтому и используется калибратор в виде цезия-133. Его сверхтонкий переход строго квантован определенной частотой и если количество переходов цезия сместилось от максимума, значит частота поплыла и компьютер , соответствующим образом перенастраивает генератор, чтобы вернуться к эталонной частоте.
